(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の気筒を備えるエンジンにおいて、例えば軽負荷時又はアイドリング時等、必要とされる燃料の供給量が少ない状態において、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止する。【解決手段】複数の気筒を備える燃料直噴型の作動ガス循環型エンジンにおいて、エンジンの負荷が所定値未満である場合は、複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への燃料の供給を休止すると共に、気筒内に再供給される既燃ガスに含まれる燃料を全ての気筒において燃焼させることにより、エンジンの騒音及び振動並びに構成の複雑化を増大させること無く、エンジンの負荷に応じた適切な燃料の供給量にてエンジンを運転する。【選択図】図３
2013221476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒と、前記気筒内に燃料を直接供給する燃料供給手段と、前記気筒内に連通した吸気ポートと、前記気筒内に連通した排気ポートとを備えるエンジン本体部と、
前記吸気ポートと前記排気ポートとを前記エンジン本体部の外部において接続する循環通路と、
を備え、
前記燃料と、酸化剤と、作動ガスとが前記気筒内に供給され、
前記燃料の燃焼によって生ずる熱エネルギーが運動エネルギーに変換され、
前記燃料の燃焼後の既燃ガスが、前記気筒内から前記排気ポートを通して前記循環通路に排出され、
斯くして前記循環通路に排出された前記既燃ガスが、前記循環通路から前記吸気ポートを通して前記気筒内に再供給される、
作動ガス循環型エンジンであって、
当該エンジンの負荷が予め定められた第１閾値未満である第１状態にある場合においては、前記複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への前記燃料の供給を休止し、前記再供給される既燃ガスに含まれる前記燃料を前記複数の気筒の全てにおいて燃焼させる、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記第１状態において、前記燃料の供給が休止されない気筒については、当該気筒の燃焼サイクルにおける前記燃料の燃焼後の膨張行程又は排気行程において当該気筒内に前記燃料が供給される、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項３】
請求項１又は請求項２の何れか１項に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記第１状態においても、エンジンの始動時であって当該エンジンが自立運転を始めるまでの期間においては、前記複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒に対して、個々の気筒の燃焼サイクルにおける吸気行程又は圧縮行程においても、前記燃料が供給される、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項４】
請求項３に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記再供給される既燃ガスに前記燃料が含まれるようになったら、前記吸気行程又は圧縮行程における前記燃料の供給を減量又は停止する、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項５】
請求項４に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記排出される既燃ガス中の酸化剤の濃度を検出又は推定する酸化剤濃度検出手段を更に備え、
前記第１状態において、少なくともエンジンの始動時であって当該エンジンが自立運転を始めるまでの期間においては、前記吸気行程又は圧縮行程において供給される燃料に対する理論比よりも多い酸化剤を供給し、
前記酸化剤濃度検出手段によって検出される酸化剤濃度の低下に基づいて、前記再供給される既燃ガスに前記燃料が含まれるようになったか否かを判定する、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記再供給される既燃ガス中の前記燃料の濃度を検出又は推定する燃料濃度検出手段を更に備え、
前記第１状態から、当該エンジンの負荷が予め定められた第１閾値以上である第２状態へと遷移する際に、前記燃料濃度検出手段によって検出又は推定される前記再供給される既燃ガス中の前記燃料の濃度に応じて、前記酸化剤の供給量を調節する、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記酸化剤が酸素である、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記作動ガスがアルゴンである、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃料が水素である、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１項に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃料の燃焼によって生ずる燃焼生成物を前記排出される既燃ガスから分離・除去する燃焼生成物除去手段を更に備える、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項１１】
請求項１０に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃焼生成物除去手段が、前記既燃ガスを冷却することにより、温度の低下に伴って凝縮する性質を有する燃焼生成物を凝縮させて当該燃焼生成物を前記既燃ガスから分離・除去する凝縮手段である、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項１２】
請求項１０に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃焼生成物除去手段が、燃焼生成物を吸着する吸着剤を用いる手段である、
作動ガス循環型エンジン。
【請求項１３】
請求項１０に記載の作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃焼生成物除去手段が、燃焼生成物を溶解して吸収する溶液を用いる手段である、
作動ガス循環型エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と酸化剤と作動ガスとを気筒内に供給して同燃料を燃焼させると共に、同気筒内から排出された既燃ガス中の作動ガスを同気筒内に循環（再供給）する燃料直噴型且つ多気筒型の作動ガス循環型エンジンに関する。より詳しくは、本発明は、上記の如き複数の気筒を備える燃料直噴型の作動ガス循環型エンジンであって、例えば軽負荷時又はアイドリング時等、必要とされる燃料の供給量が少ない状態において、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止することができる作動ガス循環型エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
当該技術分野においては、従来から、気筒内に燃料（例えば、水素）と酸化剤（例えば、酸素）と作動ガス（例えば、不活性ガス）とを供給して同燃料を燃焼させると共に、同気筒内から排出された既燃ガス中の作動ガスを、循環通路を通して同気筒内に循環させる、所謂「作動ガス循環型エンジン」が提案されている。かかる作動ガス循環型エンジンにおいては、作動ガスの比熱比及びエンジンの圧縮比が大きい程、エンジンの理論熱効率が高くなることが知られており、比熱比が大きい作動ガスとしては、例えば、希ガス類に属する単原子ガスであるヘリウム、ネオン、アルゴン等の不活性ガスが望ましいことも知られている。かかる比熱比が大きいガスを作動ガスとして用いるエンジンは、比較的小さい比熱比を有するガス（例えば、空気、窒素等）を作動ガスとして用いるエンジンと比較して、より高い熱効率で運転され得る。現時点における当該技術分野においては、これらの作動ガスの中で、アルゴンが広く使用されている。
【０００３】
また、作動ガス循環型エンジンにおいて使用される燃料としては、例えば、天然ガス、ガソリン等の炭化水素系燃料、水素等を使用することができる。更に、作動ガス循環型エンジンにおいて使用される酸化剤としては、例えば、酸素を使用することができる。作動ガス循環型エンジンにおいて使用される燃料と酸化剤との組み合わせとして、例えば、天然ガス、ガソリン等の炭化水素系燃料と酸素との組み合わせを使用する場合、燃焼生成物として、水、二酸化炭素、及び微量の窒素酸化物や硫黄酸化物が生成する。一方、作動ガス循環型エンジンにおいて使用される燃料と酸化剤との組み合わせとして、水素と酸素との組み合わせを使用する場合、燃焼生成物としては、水のみが生成する。現時点における当該技術分野においては、作動ガス循環型エンジンにおいて使用される燃料と酸化剤との組み合わせとして、水素と酸素との組み合わせが広く使用されている。
【０００４】
上記のように、作動ガス循環型エンジンの既燃ガス中には、燃料（例えば、天然ガス、ガソリン等の炭化水素系燃料、水素等）の燃焼によって生ずる燃焼生成物（例えば、水、二酸化炭素等）と作動ガス（例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン等）とが含まれる。これらの中で、特に水蒸気は３原子分子のガスであり、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の単原子の不活性ガスのみならず、空気や窒素と比較しても、より小さい比熱比を有する。従って、このように小さい比熱比を有する水蒸気を含む既燃ガスを、そのまま気筒内に循環（再供給）すると、作動ガス全体としての比熱比が低下し、上死点（ＴＤＣ）付近における気筒内の温度や圧力が低下し、結果としてエンジンの熱効率の低下を招く虞がある。
【０００５】
従って、作動ガス循環型エンジンにおいては、気筒内から排出される既燃ガスを気筒内に循環（再供給）するための循環通路と、同循環通路に介装され、既燃ガス中に含まれる燃焼生成物（例えば、水、二酸化炭素等）を分離・除去する手段とを備えることが一般的である。かかる燃焼生成物を分離・除去する手段としては、例えば、温度の低下に伴って凝縮する性質を有する燃焼生成物（例えば、水）を、既燃ガスを冷却することにより凝縮させて当該燃焼生成物を既燃ガスから分離・除去する凝縮手段（例えば、図１を参照）や、燃焼生成物（例えば、二酸化炭素）を多孔質構造によって吸着する吸着剤（例えば、ゼオライト等）等を用いる手段、及び燃焼生成物（例えば、二酸化炭素）を溶解して吸収する溶液（例えば、モノエタノールアミン溶液）を用いる手段等が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００６】
ところで、上述のような作動ガス循環型エンジンに限らず、エンジンに燃料を供給する燃料供給手段（例えば、インジェクタ等）は、例えば、高負荷時等における高い供給量及び軽負荷時又はアイドリング時等における低い供給量の両方を含む、広い範囲の供給量を供給可能であることが望ましい。しかしながら、現実には、ハードウェア上又は制御上の理由から、燃料供給手段が供給可能な燃料の量の範囲（ダイナミックレンジ）には自ずと制限がある。
【０００７】
例えば、電磁弁（ソレノイド弁）を使用するインジェクタ等の燃料供給手段においては、電磁弁への通電時間により開弁期間の長さを調節して燃料の供給量（噴射量）を調節する。具体的には、燃料の供給量を多くするには電磁弁への通電時間を長くし、燃料の供給量を少なくするには電磁弁への通電時間を短くする必要がある。しかしながら、例えばニードル弁等の弁体の応答速度等を考慮すると、通電時間を短くするにも限界がある。従って、従来技術に係るエンジンにおいては、例えば、軽負荷時又はアイドリング時等に本来必要な量まで燃料の供給量を低減することが困難な場合がある。この場合、本来必要とされる量よりも多い燃料がエンジンの気筒内に供給されることとなるため、燃費の悪化等の問題を招く虞がある。
【０００８】
そこで、当該技術分野においては、複数の気筒を備えるエンジンにおいて、例えば、軽負荷時又はアイドリング時等に少なくとも一部の気筒への燃料の供給を休止することにより、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止する技術が提案されている。しかしながら、上記のようにエンジンが備える複数の気筒のうちの少なくとも一部の気筒への燃料の供給を休止させると、全ての気筒に燃料を供給している場合と比較して、騒音や振動が増大するため、例えば、当該エンジンを搭載する車両の搭乗者に不快感を与える虞がある。かかる問題に対処するため、当該技術分野においては、例えば、搭乗者の不快感の大きさを推定する手段を設け、搭乗者の不快感の大きさが所定の閾値以下となるように、燃料の供給を休止させる気筒の組み合わせを選択する技術も提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００９】
しかしながら、上記従来技術においては、搭乗者の不快感の大きさを推定する手段を新たに設ける必要があるため、かかるエンジンを搭載する設備（例えば、車両等）の全体としての構成が複雑化して当該設備の製造コストが増大する虞がある。
【００１０】
以上のように、当該技術分野においては、複数の気筒を備えるエンジンにおいて、例えば軽負荷時又はアイドリング時等、必要とされる燃料の供給量が少ない状態において、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止することができる技術に対する継続的な要求が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−２１６４５４号公報
【特許文献２】特開２０１１−１４９３５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述のように、当該技術分野においては、複数の気筒を備えるエンジンにおいて、例えば軽負荷時又はアイドリング時等、必要とされる燃料の供給量が少ない状態において、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止することができる技術に対する継続的な要求が存在する。本発明は、かかる要求に応えるために為されたものである。より具体的には、本発明は、複数の気筒を備えるエンジンにおいて、例えば軽負荷時又はアイドリング時等、必要とされる燃料の供給量が少ない状態において、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止することができる技術を提供することを１つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の上記目的は、
複数の気筒と、前記気筒内に燃料を直接供給する燃料供給手段と、前記気筒内に連通した吸気ポートと、前記気筒内に連通した排気ポートとを備えるエンジン本体部と、
前記吸気ポートと前記排気ポートとを前記エンジン本体部の外部において接続する循環通路と、
を備え、
前記燃料と、酸化剤と、作動ガスとが前記気筒内に供給され、
前記燃料の燃焼によって生ずる熱エネルギーが運動エネルギーに変換され、
前記燃料の燃焼後の既燃ガスが、前記気筒内から前記排気ポートを通して前記循環通路に排出され、
斯くして前記循環通路に排出された前記既燃ガスが、前記循環通路から前記吸気ポートを通して前記気筒内に再供給される、
作動ガス循環型エンジンであって、
当該エンジンの負荷が予め定められた第１閾値未満である第１状態にある場合においては、前記複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への前記燃料の供給を休止し、前記再供給される既燃ガスに含まれる前記燃料を前記複数の気筒の全てにおいて燃焼させる、
作動ガス循環型エンジンによって達成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、上記のように、複数の気筒を備える燃料直噴型の作動ガス循環型エンジンにおいて、エンジンの負荷が所定値未満である場合は、複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への燃料の供給を休止すると共に、気筒内に再供給される既燃ガスに含まれる燃料を全ての気筒において燃焼させることにより、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、エンジンの負荷に応じた適切な燃料の供給量にてエンジンを運転することができる。即ち、本発明によれば、複数の気筒を備えるエンジンにおいて、例えば軽負荷時又はアイドリング時等、必要とされる燃料の供給量が少ない状態において、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】凝縮手段を備える作動ガス循環型エンジンを含むシステムの構成を示す模式図である。
【図２】直列四気筒エンジンにおいて、エンジンの負荷が低い場合に、４つのうち３つの気筒への燃料の供給を休止することにより、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止する従来技術を説明する模式図である。
【図３】直列四気筒エンジンにおいて、エンジンの負荷が低い場合に、４つのうち３つの気筒への燃料の供給を休止することにより、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止すると共に、当該エンジンに再供給される既燃ガスに含まれる燃料を４つの気筒の全てにおいて燃焼させることにより、エンジンの構成の複雑化を伴わずに、騒音及び振動の増大を抑制する、本発明の１つの実施態様を説明する模式図である。
【図４】本発明の１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンの吸入、圧縮、膨張（燃焼）、及び排気の４行程からなる燃焼サイクルにおける、吸気弁及び排気弁を開くタイミング、（再供給される循環ガスに含まれる）燃料の燃焼タイミング、並びに循環用燃料の供給タイミングを説明する模式図である。
【図５】本発明のもう１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンの吸入、圧縮、膨張（燃焼）、及び排気の４行程からなる燃焼サイクルにおける、吸気弁及び排気弁を開くタイミング、（再供給される循環ガスに含まれる）燃料の燃焼タイミング、循環用燃料の供給タイミング、並びに当サイクル燃焼用燃料の供給タイミングを説明する模式図である。
【図６】本発明の１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける当サイクル燃焼用燃料の供給制御に含まれる各種処理の流れを説明するフローチャートである。
【図７】酸化剤濃度検出手段を備える、本発明の１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンを含むシステムの構成を示す模式図である。
【図８】本発明の１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける始動モード時での当サイクル用燃料の供給量及び酸化剤濃度検出手段によって検出される酸化剤濃度の時間的な推移を表す模式的なグラフである。
【図９】本発明のもう１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける低負荷状態から高負荷状態へとエンジンの運転状況が移行した際に実行される酸化剤の供給制御に含まれる各種処理の流れを説明するフローチャートである。
【図１０】図９に示すフローチャートによって表される酸化剤の供給制御における酸化剤供給量の補正量と循環ガス（既燃ガス）に含まれる循環用燃料の量との関係を表す模式的なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
前述のように、本発明は、複数の気筒を備えるエンジンにおいて、例えば軽負荷時又はアイドリング時等、必要とされる燃料の供給量が少ない状態において、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止することができる技術を提供することを１つの目的とする。
【００１７】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究の結果、複数の気筒を備える燃料直噴型の作動ガス循環型エンジンにおいて、エンジンの負荷が所定値未満である場合は、複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への燃料の供給を休止すると共に、気筒内に再供給される既燃ガスに含まれる燃料を全ての気筒において燃焼させることにより、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、エンジンの負荷に応じた適切な燃料の供給量にてエンジンを運転することができることを見出し、本発明を想到するに至ったものである。
【００１８】
即ち、本発明の第１態様は、
複数の気筒と、前記気筒内に燃料を直接供給する燃料供給手段と、前記気筒内に連通した吸気ポートと、前記気筒内に連通した排気ポートとを備えるエンジン本体部と、
前記吸気ポートと前記排気ポートとを前記エンジン本体部の外部において接続する循環通路と、
を備え、
前記燃料と、酸化剤と、作動ガスとが前記気筒内に供給され、
前記燃料の燃焼によって生ずる熱エネルギーが運動エネルギーに変換され、
前記燃料の燃焼後の既燃ガスが、前記気筒内から前記排気ポートを通して前記循環通路に排出され、
斯くして前記循環通路に排出された前記既燃ガスが、前記循環通路から前記吸気ポートを通して前記気筒内に再供給される、
作動ガス循環型エンジンであって、
当該エンジンの負荷が予め定められた第１閾値未満である第１状態にある場合においては、前記複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への前記燃料の供給を休止し、前記再供給される既燃ガスに含まれる前記燃料を前記複数の気筒の全てにおいて燃焼させる、
作動ガス循環型エンジンである。
【００１９】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンは、複数の気筒、前記気筒内に燃料を直接供給する燃料供給手段、前記気筒内に連通した吸気ポート、及び前記気筒内に連通した排気ポートを備えるエンジン本体部と、前記吸気ポートと前記排気ポートとを前記エンジン本体部の外部において接続する循環通路と、前記循環通路に介装される凝縮手段と、を備える。即ち、複数の気筒を備える燃料直噴型の作動ガス循環型エンジンである。
【００２０】
本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンが備えるエンジン本体部は、上記のように、複数の気筒、前記気筒内に燃料を直接供給する燃料供給手段、前記気筒内に連通した吸気ポート、及び前記気筒内に連通した排気ポートを備える。上記エンジン本体部が備える複数の気筒の数は、２つ以上であれば、特に限定されるものではない。また、上記複数の気筒の配置もまた、特に限定されるものでは無く、例えば、直列型、Ｖ型、水平対向型、星型、Ｗ型、及びＵ型等、当該技術分野において知られている種々の気筒配置の中から、適宜選択することができる。
【００２１】
次に、上記エンジン本体部が備える燃料供給手段は、前記複数の気筒内に燃料を直接供給することが可能である限り、特に限定されるものではない。かかる燃料供給手段としては、例えば、作動ガス循環型エンジンに関する各種制御を行うための電子制御装置（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）からの指示信号に応答して噴射口を弁体により開閉し、同噴射口が同弁体により開かれた際に同燃料供給手段に供給されている燃料の圧力により燃料を噴射する燃料噴射手段を挙げることができる。また、かかる燃料噴射手段としては、例えば、インジェクタ等を挙げることができる。
【００２２】
また、上記のような燃料噴射手段による燃料の噴射に用いられる圧力は、例えば、燃料が気相にある場合の燃料貯蔵部としての燃料タンク内の燃料ガスの圧力に基づくものであってもよく、例えば、燃料の圧力を高めるための圧縮機（例えば、コンプレッサ、ポンプ等）によって高められた燃料の圧力に基づくものであってもよい。更に、燃料の噴射に用いられる圧力は、燃料貯蔵部と燃料噴射手段との間に介装された燃料噴射圧調整手段（例えば、圧力レギュレータ等）により一定の設定圧以上にならないように規制されていてもよい。
【００２３】
次に、上記エンジン本体部が備える吸気ポートは、個々の気筒内に連通して、作動ガス及び酸化剤を気筒内に導入する吸気通路を形成する。また、吸気ポートは、エンジンの燃焼サイクルにおける圧縮行程及び膨張工程において燃焼室の密閉性を確保すると共に、吸気行程においては作動ガス及び酸化剤を気筒内に導入するためのインテークバルブ（吸気弁）を備えることができる。上述のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンが備えるエンジン本体部は複数の気筒を備えることから、これら複数の気筒に対応する複数の吸気ポートは、上記循環通路と連通するインテークマニホルド（吸気多岐管）と連通し、循環ガスを循環通路から気筒内に導くことができる。
【００２４】
一方、上記エンジン本体部が備える排気ポートは、個々の気筒内に連通して、気筒内における燃焼後の既燃ガスを気筒内から排出する排気通路を形成する。また、排気ポートは、エンジンの燃焼サイクルにおける圧縮行程及び膨張工程において燃焼室の密閉性を確保すると共に、排気行程においては既燃ガスを気筒内から排出するためのエキゾーストバルブ（排気弁）を備えることができる。上述のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンが備えるエンジン本体部は複数の気筒を備えることから、これら複数の気筒に対応する複数の排気ポートは、上記循環通路と連通するエキゾーストマニホールド（排気多岐管）と連通し、既燃ガスを気筒内から循環通路に導くことができる。
【００２５】
また、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、上述のように、
前記燃料と、酸化剤と、作動ガスとが前記気筒内に供給され、
前記燃料の燃焼によって生ずる熱エネルギーが運動エネルギーに変換され、
前記燃料の燃焼後の既燃ガスが、前記気筒内から前記排気ポートを通して前記循環通路に排出され、
斯くして前記循環通路に排出された前記既燃ガスが、前記循環通路から前記吸気ポートを通して前記気筒内に再供給される。
【００２６】
即ち、本実施態様に係るエンジンは、燃料と酸化剤と作動ガスとを気筒内に供給して燃料を燃焼させると共に、燃焼室から排出された既燃ガスを、循環通路を通して気筒内に循環させる（再供給する）作動ガス循環型エンジンである。
【００２７】
本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいて使用される燃料としては、例えば、ガソリン、軽油、天然ガス、プロパン、水素等の、種々の燃料を用いることができる。また、上記燃料は、上記エンジンの運転状態における燃料の相（例えば、液相、気相等）に応じた構成を有する燃料貯蔵部（例えば、タンク、ボンベ等）に貯蔵することができる。更に、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいて、上記燃料は、上述した燃料供給手段によって、複数の気筒内に直接供給される。
【００２８】
また、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいて使用される酸化剤としては、例えば、酸素、過酸化水素等の、種々の酸化剤を用いることができる。上記酸化剤は、酸化剤貯蔵部（例えば、タンク、ボンベ等）に貯蔵することができ、同酸化剤貯蔵部から、例えば、同エンジンの燃焼室内に直接噴射しても、又は同エンジンの燃焼室内に供給される前に作動ガスと予め混合してもよい。
【００２９】
更に、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいて使用される作動ガスとしては、例えば、空気や窒素等の、種々のガスを用いることができるが、エンジンの熱効率を高め、且つ、例えば、窒素酸化物のような、環境保護の観点から排出を抑制することが求められる汚染物質を削減するためには、例えば、大きい比熱比を有する単原子の不活性ガス等を用いることが望ましい。かかる比熱比が大きいガスを作動ガスとして用いる場合、比較的小さい比熱比を有するガス（例えば、空気、窒素等）を作動ガスとして用いる場合と比較して、より高い熱効率でエンジンを運転することができる。かかる大きい比熱比を有する単原子の不活性ガスとしては、例えば、希ガス類に属するヘリウム、ネオン、アルゴン等を挙げることができる。加えて、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンは、例えば、当該エンジンの運転に伴って作動ガスが外部に漏出した場合に作動ガスを循環通路に補充すること等を目的として、作動ガス貯蔵部（例えば、タンク、ボンベ等）を更に備えていてもよい。
【００３０】
上述のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンは、燃料と酸化剤と作動ガスとを気筒内に供給して燃料を燃焼させる。この際、上記燃料の燃焼モードは、用いられる燃料の性状やエンジンの仕様等に応じて適宜選択することができる。より具体的には、例えば、少なくとも酸化剤と作動ガスとを含むガスが気筒内において圧縮されている高圧縮状態にある期間内の所定の時期に燃料を燃焼室内に直接噴射（所謂「高圧噴射」）して燃料を拡散燃焼させてもよい。あるいは、上述のように燃料供給手段によって気筒内に直接供給された燃料を、気筒内に設けられた点火手段（例えば、点火プラグ等）から発生した火花によって点火して火花点火燃焼させてもよい。
【００３１】
ところで、本発明は、前述のように、複数の気筒を備える燃料直噴型の作動ガス循環型エンジンにおいて、エンジンの負荷が所定値未満である場合は、複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への燃料の供給を休止すると共に、気筒内に再供給される既燃ガスに含まれる燃料を全ての気筒において燃焼させることにより、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、エンジンの負荷に応じた適切な燃料の供給量にてエンジンを運転して、必要以上の燃料の消費を抑制し、燃費の悪化を防止しようとするものである。そこで、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、上述のように、当該エンジンの負荷が予め定められた第１閾値未満である第１状態にある場合においては、前記複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への前記燃料の供給を休止し、前記再供給される既燃ガスに含まれる前記燃料を前記複数の気筒の全てにおいて燃焼させる。
【００３２】
より詳しくは、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、当該エンジンの負荷が予め定められた第１閾値未満である第１状態にある場合においては、前記複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への前記燃料の供給を休止する。一方、前記燃料の供給を休止せず前記燃料を供給した特定の気筒については、当該特定の気筒に燃料を供給した燃焼サイクルにおいては当該特定の気筒に供給した燃料を当該特定の気筒内で燃焼させず、当該特定の気筒から排出される既燃ガス中に当該燃料を残存させる。その結果、前記循環通路を介して前記複数の気筒に再供給される既燃ガスには、上記特定の気筒に供給された燃料が希釈されて含まれることとなる。この結果、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、上述のように、前記再供給される既燃ガスに含まれる前記燃料を前記複数の気筒の全てにおいて燃焼させることができる。
【００３３】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、構成の複雑化を伴うこと無く、複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への燃料の供給を休止しているときでも、複数の気筒の全てにおいて燃料を燃焼させることができる。これにより、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への燃料の供給を休止し、燃料を供給した気筒においてのみ燃料を燃焼させる、前述した従来技術に係るエンジンのようにエンジンの騒音及び振動を招くことが回避される。結果として、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、エンジンの負荷が所定値未満である場合においても、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、エンジンの負荷に応じた適切な燃料の供給量にてエンジンを運転して、必要以上の燃料の消費を抑制し、燃費の悪化を防止することができる。
【００３４】
尚、上記エンジンの負荷は、当該技術分野において周知であるように、例えば、要求トルク、アクセル踏み込み量、スロットル開度、及びエンジンの作動ガス吸入量等から求めることができる。即ち、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、例えば、当該エンジンに関する各種制御を行うためのＥＣＵ（電子制御装置）と、当該ＥＣＵに対して検出信号を伝達するように構成された、例えば、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル踏み込み量）を検出するためのアクセルセンサ、吸気通路に設けられたスロットルバルブの開度（スロットル開度）を検出するためのスロットルセンサ、エンジンへの作動ガス吸入量を計測するエアフロメータ等の各種センサとによって構成されるエンジン負荷検出手段によって求めることができる。
【００３５】
この場合、エンジン負荷検出手段は、各種センサから伝達される検出信号に基づいてエンジンの負荷を算出するアルゴリズムを、例えば、ＥＣＵが備える記憶装置（例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ−Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、不揮発性メモリ等）に格納されたプログラムに従って、ＥＣＵが備える中央処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）によって実行させることにより、作動ガス循環型エンジンの負荷を検出又は推定することができる。但し、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいてエンジンの負荷を検出又は推定する方法及び手段は上記に限定されるものではなく、作動ガス循環型エンジンの負荷を検出又は推定することができる限りにおいて、如何なる構成のものであってもよい。
【００３６】
また、上記第１閾値は、例えば、エンジンに燃料を供給する燃料供給手段（例えば、インジェクタ等）が供給可能な燃料の最少量での全ての気筒への燃料の供給を必要とするエンジンの負荷に対応する値として設定することができる。あるいは、上記第１閾値は、例えば、十分に高いエンジンの運転効率が維持される範疇において、エンジンに燃料を供給する燃料供給手段（例えば、インジェクタ等）が供給可能な燃料の最少量での全ての気筒への燃料の供給を必要とするエンジンの負荷に対応する値として設定することもできる。但し、上記第１閾値の設定方法は上記に限定されるものではなく、例えば燃料供給手段を含むエンジンの設計・仕様や用途等に応じて、適宜設定することができる。
【００３７】
更に、上記閾値は、燃料の供給を休止する気筒の数に応じて、多段階に設定することもできる。即ち、上記閾値は、例えば、複数の気筒のうち１つ目の気筒への燃料の供給を休止するか否かの判定基準となるエンジン負荷である第１閾値、複数の気筒のうち２つ目の気筒への燃料の供給を休止するか否かの判定基準となるエンジン負荷である第２閾値（上記第１閾値よりも低い）、複数の気筒のうち３つ目の気筒への燃料の供給を休止するか否かの判定基準となるエンジン負荷である第３閾値（上記第２閾値よりも低い）等のように、多段階に設定してもよい。
【００３８】
加えて、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、例えば前述の特許文献２に記載の発明のように、例えば、搭乗者の不快感の大きさを推定する手段を設け、搭乗者の不快感の大きさが所定の閾値以下となるように、燃料の供給を休止させる気筒の組み合わせを選択する手段を更に備えてもよい。
【００３９】
ここで、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンの１つの変形例の構成につき、添付図面を参照しながら以下に詳しく説明する。ここで説明する変形例に係る作動ガス循環型エンジンは、先に述べた図１に示す作動ガス循環型エンジンと同様の構成を有する。図１は、前述のように、凝縮手段を備える作動ガス循環型エンジンを含むシステムの構成を示す模式図である。当該システムは、作動ガス循環型エンジンの本体部１０、燃料供給部２０、酸化剤供給部３０、循環通路（上流側循環通路４１及び下流側循環通路４２）、並びに凝縮手段５０を備えている。このエンジンは、気筒内の燃焼室に酸化剤（例えば、酸素）及び作動ガス（例えば、アルゴンガス）を供給し、このガスを圧縮することにより高温高圧となったガス中に、燃料供給手段１１（例えば、インジェクタ）により燃料（例えば、水素ガス）を直接噴射することにより燃料を拡散燃焼させる形式のエンジンである。尚、図１においては、エンジン本体部１０の特定気筒の断面のみを示しているが、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンは、前述のように複数の気筒を備えており、他の気筒も同様の構成を有する。
【００４０】
エンジン本体部１０は、特定の構成に限定されるものではなく、例えば、シリンダヘッドと、シリンダブロックが形成するシリンダと、シリンダ内において往復運動するピストンと、クランク軸と、ピストンとクランク軸とを連結しピストンの往復運動をクランク軸の回転運動に変換するためのコネクティングロッドと、シリンダブロックに連接されたオイルパンとを備えるピストン往復動型エンジンであってもよい（何れも図示せず）。
【００４１】
この場合、ピストンの側面にはピストンリングが配設され、シリンダヘッド、シリンダ及びオイルパンから形成される空間は、ピストンにより、ピストンの頂面側の燃焼室と、クランク軸を収容するクランクケースと、に区画されている（何れも図示せず）。
【００４２】
シリンダヘッドには、燃焼室に連通した吸気ポートと、燃焼室に連通した排気ポートと、が形成されている（何れも図示せず）。吸気ポートには吸気ポートを開閉する吸気弁が配設され、排気ポートには排気ポートを開閉する排気弁が配設されている（何れも図示せず）。更に、シリンダヘッドには、燃料（例えば、水素ガス）を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射弁が燃料供給手段１１として配設されている。
【００４３】
燃料供給部２０は、燃料タンク（例えば、水素ガスタンク）、燃料ガス通路、燃料ガス圧レギュレータ、燃料ガス流量計及びサージタンク等を備えることができる（何れも図示せず）。また、酸化剤供給部３０は、酸化剤貯蔵部（例えば、酸素ガスタンク）、酸化剤通路、酸化剤流量調整機構（例えば、酸素ガス圧レギュレータ）、酸化剤流量計（例えば、酸素ガス流量計）、及び酸化剤混合機構（例えば、酸素ガスミキサ）を備えることができる（何れも図示せず）。尚、エンジン本体部１０、燃料供給部２０、及び酸素供給部３０の具体的な構成並びに動作については、例えば、作動ガス循環型水素エンジン等に関する当該技術分野において周知であるので、本明細書における詳細な説明は割愛する。
【００４４】
循環通路は、上述のように、上流側循環通路４１及び下流側循環通路４２を備え、上流側循環通路４１と下流側循環通路４２との間に、入口部と出口部とを有する凝縮手段５０が介装されている。このように、循環通路は、排気ポートと吸気ポートとを燃焼室の外部にて接続する「既燃ガス（循環ガス）の循環通路」を構成している。
【００４５】
上流側循環通路４１は、排気ポートと凝縮手段５０の入口部とを接続している。下流側循環通路４２は、凝縮手段５０の出口部と吸気ポートとを接続しており、その途中に、酸化剤混合機構（例えば、酸素ガスミキサ）等（図示せず）を介して酸化剤供給部３０が合流している。
【００４６】
凝縮手段５０は、上述したように既燃ガス（循環ガス）の入口部と出口部とを備える。更に、凝縮手段５０は、例えば、熱交換器５１及び気液分離器（図示せず）を備えることができる。熱交換器５１は、熱媒体（例えば、冷却水）６１の導入口及び熱媒体６１の排出口を備える。更に、熱媒体６１の導入口と排出口とを接続する熱媒体循環部には、既燃ガスとの熱交換により既燃ガスから熱を受け取って高温となった熱媒体６１を冷却する放熱手段６０を備えることができる。かかる放熱手段６０としては、例えば、ラジエタ等を挙げることができる。
【００４７】
凝縮手段５０は、例えば、入口部から導入されて出口部から排出される既燃ガス（循環ガス）に含まれる燃焼生成物の蒸気（例えば、水蒸気）を、熱媒体６１の導入口から導入されると共に凝縮器の内部を通過した後に熱媒体６１の排出口から排出される熱媒体６１によって冷却し、凝縮させる。凝縮された燃焼生成物の凝縮液（例えば、水）は、気液分離器（図示せず）によって既燃ガス（循環ガス）から分離され、凝縮液排出口５２から外部に排出される。斯くして燃焼生成物の蒸気が除去（分離）されたガスは、凝縮手段５０の出口部から下流側循環通路４２に排出される。
【００４８】
即ち、凝縮手段５０は、「入口部及び出口部を有する水蒸気凝縮手段５０であって、上流側循環通路４１から同入口部を通して流入するガスに含まれる燃焼生成物の蒸気（例えば、水蒸気）を凝縮させることにより同入口部を通して流入するガスから同蒸気を除去したガスを同出口部から下流側循環通路４２へと排出する」機能を備えている。尚、水蒸気凝縮手段５０は、例えば冷却水等の液体の熱媒体（冷媒）を使用するものであってもよく、あるいは、例えば空気等の気体の熱媒体（の送風）により内部を通過するガス中に含まれる燃焼生成物の蒸気を凝縮させる空冷式熱交換器５１を備えるものであってもよい。
【００４９】
次に、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンの１つの変形例の作動につき、従来技術に係る作動ガス循環型エンジンと比較しつつ、添付図面を参照しながら以下に詳しく説明する。前述のように、図２は、直列四気筒エンジンにおいて、エンジンの負荷が低い場合に、４つのうち３つの気筒への燃料の供給を休止することにより、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止する従来技術を説明する模式図である。また、前述のように、図３は、直列四気筒エンジンにおいて、エンジンの負荷が低い場合に、４つのうち３つの気筒への燃料の供給を休止することにより、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止すると共に、当該エンジンに再供給される既燃ガスに含まれる燃料を４つの気筒の全てにおいて燃焼させることにより、エンジンの構成の複雑化を伴わずに、騒音及び振動の増大を抑制する、本発明の１つの実施態様を説明する模式図である。
【００５０】
先ず、図２に示す従来技術に係る方法によれば、エンジンの負荷が予め定められた閾値未満である場合は、（図中の実線の矢印によって示すように）図面に向かって上から２番目の気筒（本明細書においては、「第２気筒」と称する場合がある）においてのみ燃料（及び酸化剤）を供給して第２気筒内で燃焼させ、（図中の×印によって示すように）その他の気筒においては燃料（及び酸化剤）の供給を休止することにより、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止する。しかしながら、前述のように、かかる方法によると、第２気筒においてのみ燃料の燃焼が生ずるため、全ての気筒に燃料を供給している場合と比較して、燃費の悪化を防止することは可能であるものの、騒音や振動が増大するため、例えば、当該エンジンを搭載する車両の搭乗者に不快感を与える虞がある。
【００５１】
尚、図２において、白抜きの矢印は（基本的に他の成分を含まない）作動ガスの流れを表し、右下がりの斜線が施された矢印は燃焼生成物の蒸気を含む作動ガスの流れを表す。図２に示すように、エンジン本体部１０の各気筒の吸気ポートには（基本的に他の成分を含まない）作動ガス（白抜きの矢印）が供給され、第２気筒のみにおいて燃料の供給及び燃焼が生ずるので、第２気筒から排出される作動ガス（右下がりの斜線が施された矢印）は燃焼生成物の蒸気（例えば、水蒸気）を含むものの、その他の気筒から排出される作動ガス（白抜きの矢印）は基本的に他の成分を含まない。
【００５２】
一方、図３に示す本発明の１つの実施態様によれば、エンジンの負荷が予め定められた閾値未満である場合は、（図中の実線の矢印によって示すように）第２気筒においてのみ燃料を供給し、（図中の×印によって示すように）その他の気筒においては燃料の供給を休止することにより、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止する点については、上述の従来技術に係る方法と同様である。しかしながら、図３に示す本発明の１つの実施態様においては、前述のように、下流側循環通路４２を介してエンジン本体部１０が備える各気筒内に再供給される既燃ガスに含まれる燃料を全ての気筒において燃焼させる。これにより、図３に示す本発明の１つの実施態様においては、燃費の悪化を防止することが可能であることに加えて、第２気筒においてのみ燃料の燃焼が生ずる図２に示す従来技術に係るエンジンと比較して、騒音や振動が低減され、例えば、当該エンジンを搭載する車両の搭乗者に不快感を与える虞が抑制される。
【００５３】
尚、図３においても、図２と同様に、右下がりの斜線が施された矢印は燃焼生成物の蒸気（例えば、水蒸気）を含む作動ガスの流れを表す。一方、図３において、右上がりの斜線が施された矢印は燃料を含む作動ガスの流れを表し、格子状の網掛けが施された矢印は燃料及び燃焼生成物の蒸気（例えば、水蒸気）の両方を含む作動ガスの流れを表す。図３に示すように、エンジン本体部１０の各気筒の吸気ポートには、下流側循環通路４２を介して、燃料を含む作動ガス（右上がりの斜線が施された矢印）が供給され、全ての気筒において酸素が供給されて燃料が燃焼される。その後、第２気筒のみにおいて燃料が供給されるので、第２気筒から排出される作動ガス（格子状の網掛けが施された矢印）は燃料及び燃焼生成物の蒸気（例えば、水蒸気）の両方を含むものの、その他の気筒から排出される作動ガス（右下がりの斜線が施された矢印）は燃料を含まない。
【００５４】
その後、各気筒から排出された作動ガスはエキゾーストマニホールド（排気多岐管）において合流する。その結果、上流側循環通路４１へと排出される作動ガスは、第２気筒に供給された燃料が希釈されて含まれることとなる。その後、当該燃料及び燃焼生成物の蒸気（例えば、水蒸気）の両方を含む作動ガスは、下流側循環通路４２を介して、エンジン本体部１０の各気筒の吸気ポートに再供給され、上述のサイクルが繰り返される。
【００５５】
尚、前述のように、燃焼生成物の蒸気を含む作動ガスを、そのまま気筒内に循環（再供給）すると、作動ガス全体としての比熱比が低下し、上死点（ＴＤＣ）付近における気筒内の温度や圧力が低下し、結果としてエンジンの熱効率の低下を招く虞がある。従って、図３に示す例を含む本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、気筒内から排出される作動ガスに含まれる燃焼生成物を例えば凝縮、吸着、又は吸収・溶解等によって作動ガスから分離・除去する手段が、作動ガスの循環通路の途中（即ち、上流側循環通路４１と下流側循環通路４２との間）に配設されていてもよい。この場合、下流側循環通路４２を介して、エンジン本体部１０の各気筒の吸気ポートに再供給される作動ガスは、燃焼生成物を含まず、燃料のみを含むこととなる。
【００５６】
ところで、本発明に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、上述のように、エンジンの負荷が予め定められた第１閾値未満である第１状態にある場合には、複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への燃料の供給を休止し、且つ複数の気筒内に再供給される既燃ガス（作動ガス）に含まれる燃料を全ての気筒において燃焼させる。かかる燃焼モード（本明細書においては、「循環燃料利用モード」と称する場合がある）を実現するためには、複数の気筒のうち燃料の供給が休止されない気筒に対して燃料を供給してもよく、あるいは当該エンジンの排気ポートと吸気ポートとを連通する循環通路上の何れかの箇所において燃料を供給してもよい。
【００５７】
但し、後者のようにエンジンの排気ポートと吸気ポートとを連通する循環通路上の何れかの箇所において燃料を供給する場合、当該エンジンの気筒内に燃料を供給する既存の燃料供給手段に加えて、更なる燃料供給手段を循環通路上の何れかの箇所に増設する必要がある。従って、この場合は、当該エンジンを含むシステム全体としての構成が複雑化したり、製造コストが増大したりする虞がある。一方、前者のように複数の気筒のうち燃料の供給が休止されない気筒に対して燃料を供給する場合は、気筒内に燃料を供給するタイミングを適切に制御しさえすれば、当該エンジンの気筒内に燃料を供給する既存の燃料供給手段を使用して燃料を供給することができる。具体的には、燃料の供給が休止されない気筒については、当該気筒の燃焼サイクルにおける燃料の燃焼後の膨張行程又は排気行程において当該気筒内に燃料を供給することにより、複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への燃料の供給を休止し、且つ複数の気筒内に再供給される既燃ガス（作動ガス）に含まれる燃料を全ての気筒において燃焼させることができる。
【００５８】
即ち、本発明の第２の実施態様は、
本発明の前記第１の実施態様に係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記第１状態において、前記燃料の供給が休止されない気筒については、当該気筒の燃焼サイクルにおける前記燃料の燃焼後の膨張行程又は排気行程において当該気筒内に前記燃料が供給される、
作動ガス循環型エンジンである。
【００５９】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、前記第１状態において、前記燃料の供給が休止されない気筒については、当該気筒の燃焼サイクルにおける前記燃料の燃焼後の膨張行程又は排気行程において当該気筒内に前記燃料が供給される。このように気筒内に燃料を供給するタイミングを適切に制御することにより、循環燃料利用モードにおいても、当該エンジンの気筒内に燃料を供給する既存の燃料供給手段を使用して、燃料を供給することができる。その結果、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、上述した後者の場合のように更なる燃料供給手段を増設する必要が無く、当該エンジンを含むシステム全体としての構成が複雑化したり、製造コストが増大したりすることを回避することができる。
【００６０】
ここで、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける気筒内への燃料供給のタイミングにつき、添付図面を参照しながら、以下に詳しく説明する。図４は、前述のように、本発明の１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンの吸入、圧縮、膨張（燃焼）、及び排気の４行程からなる燃焼サイクルにおける、吸気弁及び排気弁を開くタイミング、（再供給される循環ガスに含まれる）燃料の燃焼タイミング、並びに循環用燃料の供給タイミングを説明する模式図である。
【００６１】
図４に示す燃焼サイクルは、所謂「４ストローク１サイクル」であり、図４に向かって左端から、ピストンが上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）まで運動する間の吸気行程においては、吸気弁が開かれており（破線によって示す）、気筒内に循環ガスが吸入される。次に、ピストンが下死点（ＢＤＣ）から上死点（ＴＤＣ）まで運動する間の圧縮行程においては、吸気弁及び排気弁が閉じられており、気筒内に吸入された循環ガスが圧縮される。通常の燃焼モードにおいては、当該圧縮行程の終了時点近傍において（ピストンが上死点（ＴＤＣ）近傍にある）、燃料供給手段（例えば、インジェクタ等）により気筒内に燃料が供給され、燃焼が生じ、ピストンが上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）まで運動する間の膨張行程において動力が発生する。次に、ピストンが下死点（ＢＤＣ）から上死点（ＴＤＣ）まで運動する間の排気行程においては、排気弁が開かれており（破線によって示す）、気筒内の既燃ガスが排気ポートを介して気筒外に排出される。
【００６２】
上記のように、通常の燃焼モードにおいては、圧縮行程の終了時点近傍において気筒内に供給された燃料が直ちに燃焼する。しかしながら、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける循環燃料利用モードにおいては、図４における点線によって示すように、当該エンジンの負荷が予め定められた第１閾値未満である第１状態において、燃料の供給が休止されない気筒については、当該気筒の燃焼サイクルにおける燃料の燃焼後の膨張行程又は排気行程の何れかのタイミングにおいて燃料が供給される。この時点では当該気筒における燃焼は既に終了しているため、供給された燃料は燃焼しないまま燃焼生成物と共に作動ガスに含まれた状態で排気される。
【００６３】
その後、上述のように循環通路を介して当該エンジンの複数の気筒の全てに再供給され、次の圧縮行程の終了時近傍において燃焼する。このようにして、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける循環燃料利用モードにおいては、燃料の供給が休止されない気筒の燃焼サイクルにおける燃料の燃焼後の膨張行程又は排気行程において当該気筒内に燃料を供給することにより、複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への燃料の供給を休止し、且つ複数の気筒内に再供給される既燃ガス（作動ガス）に含まれる燃料を全ての気筒において燃焼させることができる。その結果、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンによれば、複数の気筒を備えるエンジンにおいて、例えば軽負荷時又はアイドリング時等、必要とされる燃料の供給量が少ない状態において、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止することができる。
【００６４】
ところで、本発明に係る作動ガス循環型エンジンにおいて、当該エンジンの負荷が予め定められた第１閾値未満である第１状態にある場合は、停止しているエンジンをこれから始動しようとする際（つまり、エンジンの始動時）にも生じ得る。この場合、エンジンの負荷が低いからといって、上述のように燃料を供給する気筒を一部の気筒に限定し且つ（燃料の供給タイミングを通常の燃焼タイミングより遅らせる等して）当該エンジンに再供給（循環）される作動ガスによって気筒内に供給された燃料を燃焼させるように制御すると、燃料を含む作動ガスが循環通路を通ってエンジンの気筒内に循環してくるまで気筒内に燃料が供給されないこととなる。このように循環通路を通ってエンジンの気筒内に循環してくる作動ガスに含まれる燃料（本明細書においては、「循環用燃料」と称する場合がある）のみを利用してエンジンを始動しようとすると、エンジンの気筒内に燃料が供給されて最初の燃焼（初爆）が生ずるまでに要する時間が長くなってしまう。
【００６５】
上記問題を解消するためには、例えば、エンジンの始動時には、循環通路を通ってエンジンの気筒内に循環して次の燃焼サイクルにおいて燃焼する上記「循環用燃料」に加えて、燃料を供給した当該サイクルにおいて直ちに燃焼するための燃料（本明細書においては、「当サイクル燃焼用燃料」と称する場合がある）を供給するタイミングを別途設けることが望ましい。尚、本明細書においては、このように当サイクル燃焼用燃料を供給するタイミングを別途設ける燃焼モードを「始動モード」と称する場合がある。
【００６６】
即ち、本発明の第３の実施態様は、
本発明の前記第１又は前記第２の実施態様の何れか１つに係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記第１状態においても、エンジンの始動時であって当該エンジンが自立運転を始めるまでの期間においては、前記複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒に対して、個々の気筒の燃焼サイクルにおける吸気行程又は圧縮行程においても、前記燃料が供給される、
作動ガス循環型エンジンである。
【００６７】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、前記第１状態においても、エンジンの始動時であって当該エンジンが自立運転を始めるまでの期間においては、前記複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒に対して、個々の気筒の燃焼サイクルにおける吸気行程又は圧縮行程においても、前記燃料が供給される。換言すれば、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、エンジンの始動時は、循環用燃料に加えて、当サイクル燃焼用燃料を供給するタイミングが別途設けられる。その結果、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンによれば、循環用燃料のみを利用してエンジンを始動しようとする場合と比較して、エンジンの気筒内に燃料が供給されて最初の燃焼（初爆）が生ずるまでに要する時間を短縮することができる。
【００６８】
尚、当サイクル燃焼用燃料を供給するタイミングは、個々の気筒の燃焼サイクルにおける吸気行程又は圧縮行程における何れのタイミングでもよく、例えば、通常の燃焼モードにおけるように、圧縮行程の終了時点の近傍（即ち、ピストンが上死点（ＴＤＣ）近傍にあるタイミング）であってもよい。また、当サイクル燃焼用燃料を供給する気筒は、複数の気筒のうち何れの気筒であってもよく、例えば、複数の気筒の全てに対して当サイクル燃焼用燃料を供給して、エンジンの確実な始動を達成してもよい。更に、エンジンの始動時であって当該エンジンが自立運転を始めるまでの期間であるか否かについては、例えば、当該エンジンから排出される既燃ガスの温度、当該エンジンを始動するための手段（例えば、セルモータ等）が稼働しているか否か、等に基づいて判定することができる。
【００６９】
ここで、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける気筒内への燃料供給のタイミングにつき、添付図面を参照しながら、以下に詳しく説明する。図５は、前述のように、本発明のもう１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンの吸入、圧縮、膨張（燃焼）、及び排気の４行程からなる燃焼サイクルにおける、吸気弁及び排気弁を開くタイミング、（再供給される循環ガスに含まれる）燃料の燃焼タイミング、循環用燃料の供給タイミング、並びに当サイクル燃焼用燃料の供給タイミングを説明する模式図である。
【００７０】
図５に示す燃焼サイクルは、図４と同様に、所謂「４ストローク１サイクル」であり、図４における点線によって示すように、当該エンジンの負荷が予め定められた第１閾値未満である第１状態において、燃料の供給が休止されない気筒については、当該気筒の燃焼サイクルにおける燃料の燃焼後の膨張行程又は排気行程の何れかのタイミングにおいて循環用燃料が供給される。加えて、図５に示す実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける始動モードにおいては、実線によって示すように、通常の燃焼モードと同様に、圧縮行程の終了時点近傍において当サイクル燃焼用燃料が供給される。これにより、当サイクル燃焼用燃料が直ちに燃焼するので、エンジンの始動時において、エンジンの気筒内に燃料が供給されて最初の燃焼（初爆）が生ずるまでに要する時間を短縮することができる。
【００７１】
一方、循環用燃料については、図５における点線によって示すように、前記第１状態においても燃料の供給が休止されない気筒における燃料の燃焼後の膨張行程又は排気行程の何れかのタイミングにおいて当該気筒内に供給され、燃焼しないまま燃焼生成物と共に作動ガスに含まれた状態で排気される。その後、図４と同様に、循環通路を介して当該エンジンの複数の気筒の全てに再供給され、次の圧縮行程の終了時近傍において燃焼する。このようにして、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける循環燃料利用モードにおいても、複数の気筒のうち少なくとも一部の気筒への燃料の供給を休止し、且つ複数の気筒内に再供給される既燃ガス（作動ガス）に含まれる燃料を全ての気筒において燃焼させることにより、必要とされる燃料の供給量が少ない状態において、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止することができる。
【００７２】
ところで、上記始動モードは、上述のように、循環用燃料のみを利用してエンジンを始動しようとすると、循環用燃料を含む作動ガスがエンジンの気筒内に循環してきて初爆が生ずるまでに要する時間が長くなってしまうことを回避することを目的として、当サイクル燃焼用燃料を別途供給してエンジンの始動を確実且つ迅速に行おうとするものである。つまり、前記第１状態において、始動モードは、始動モードではない燃焼モードと比較して、燃料の消費量がより多い。従って、複数の気筒を備えるエンジンにおいて、例えば軽負荷時又はアイドリング時等、必要とされる燃料の供給量が少ない状態において、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止するという本発明の１つの目的に照らせば、エンジンが始動したら直ちに始動モードを解除することが望ましい。
【００７３】
しかしながら、始動モードにおいて別途供給される当サイクル燃焼用燃料によってエンジンが始動したものの循環用燃料を含む作動ガスがエンジンの気筒内に未だ循環してきていない状態で始動モードを解除すると、気筒内に燃料が供給されなくなり、エンジンが失火状態に戻ってしまう。従って、始動モードを解除するタイミングとしては、再供給される既燃ガスに燃料が含まれるようになった時点が望ましい。
【００７４】
尚、エンジンの始動に必要な燃料の供給量は、当サイクル燃焼用燃料によって達成されている。にもかかわらず、循環用燃料を含む作動ガスがエンジンの気筒内に循環し始めた以降も未だ始動モードが継続している場合、当該エンジンには当サイクル燃焼用燃料及び循環用燃料の両方が供給される。即ち、この場合は、エンジンの始動に必要な量を超える過剰な燃料が供給される。従って、燃費の悪化を防止する観点から、再供給される既燃ガスに燃料が含まれるようになったら、当サイクル燃焼用燃料の供給量を減らすことが望ましい。
【００７５】
即ち、本発明の第４の実施態様は、
本発明の前記第３の実施態様に係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記再供給される既燃ガスに前記燃料が含まれるようになったら、前記吸気行程又は圧縮行程における前記燃料の供給を減量又は停止する、
作動ガス循環型エンジンである。
【００７６】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、前記再供給される既燃ガスに前記燃料が含まれるようになったら、前記吸気行程又は圧縮行程における前記燃料の供給を減量又は停止する。これにより、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、前記第１状態において始動モードが必要以上に長い期間に亘って維持されて燃費の悪化を招くことが回避される。
【００７７】
尚、前記再供給される既燃ガスに前記燃料が含まれるようになったか否かについては、例えば、燃料の濃度を検出するセンサ等の検出手段を吸気ポートや下流側循環通路等に配設し、当該検出手段によって検出される燃料の濃度が所定値以上であるか否かによって判定することができる。あるいは、前記再供給される既燃ガスに前記燃料が含まれるようになったか否かについては、例えば、エンジンの燃焼室の容積、エンジンの回転数、及び作動ガスの循環通路（上流側及び下流側の循環通路、並びに燃焼生成物除去手段（存在する場合）を含む）の容積等に基づいて判定することができる。また、前記吸気行程又は圧縮行程における前記燃料（当サイクル燃焼用燃料）の供給を減量する場合、当サイクル燃焼用燃料の減量の程度は、例えば、上述のような検出手段によって検出される循環ガス中の燃料の濃度に基づいて決定することができる。
【００７８】
ここで、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける当サイクル燃焼用燃料の供給制御に含まれる各種処理の流れにつき、添付図面を参照しながら、以下に詳しく説明する。図６は、前述のように、本発明の１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける当サイクル燃焼用燃料の供給制御に含まれる各種処理の流れを説明するフローチャートである。
【００７９】
図６に示すように、先ずステップＳ６１において、現時点におけるエンジンの燃焼モードが前述の始動モードに該当するか否かが判定される。ステップＳ６１において、現時点におけるエンジンの燃焼モードが始動モードではないと判定された場合（ステップＳ６１：Ｎｏ）、当サイクル燃焼用燃料の供給量を制御する必要は無いので、当該ルーチンを終了する。一方、ステップＳ６１において、現時点におけるエンジンの燃焼モードが始動モードであると判定された場合（ステップＳ６１：Ｙｅｓ）、次のステップＳ６２において、再供給される既燃ガスに燃料が含まれるようになったか否かが判定される。
【００８０】
上記ステップＳ６２において、再供給される既燃ガスに燃料が含まれるようになっていないと判定された場合（ステップＳ６２：Ｎｏ）、図５に示したように、次のステップＳ６４において、吸気行程又は圧縮行程の何れかの時点（例えば、圧縮行程の終了時点近傍）において、予め規定された量（例えば、アクセル踏み込み量に対応する量）の燃料（当サイクル燃焼用燃料）を気筒内に供給する。一方、上記ステップＳ６２において、再供給される既燃ガスに燃料が含まれるようになっていると判定された場合（ステップＳ６２：Ｙｅｓ）、次のステップＳ６３において、当サイクル燃焼用燃料の供給量を減量するか、又は当サイクル燃焼用燃料の供給を停止する。これにより、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、前記第１状態において始動モードが必要以上に長い期間に亘って維持されて燃費の悪化を招くことが回避される。
【００８１】
ところで、上述のように、再供給される既燃ガス（循環ガス）に燃料が含まれるようになったか否かについては、種々の方法によって判定することができる。しかしながら、本発明に係る作動ガス循環型エンジンを含むシステムの全体としての構成が複雑化したり、製造コストが増大したりすることを回避するためには、新たな装置を増設したり、複雑な演算処理を実施したりすること無く、一般的な作動ガス循環型エンジンにおける既存の構成要素を使用する単純な方法によって、再供給される既燃ガスに燃料が含まれるようになったか否かを判定することが望ましい。
【００８２】
かかる観点から、本発明の第５の実施態様は、
本発明の前記第４の実施態様に係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記排出される既燃ガス中の酸化剤の濃度を検出又は推定する酸化剤濃度検出手段を更に備え、
前記第１状態において、少なくともエンジンの始動時であって当該エンジンが自立運転を始めるまでの期間においては、前記吸気行程又は圧縮行程において供給される燃料に対する理論比よりも多い酸化剤を供給し、
前記酸化剤濃度検出手段によって検出される酸化剤濃度の低下に基づいて、前記再供給される既燃ガスに前記燃料が含まれるようになったか否かを判定する、
作動ガス循環型エンジンである。
【００８３】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンは、前記排出される既燃ガス中の酸化剤の濃度を検出又は推定する酸化剤濃度検出手段を更に備える。かかる酸化剤濃度検出手段としては、例えば、酸化剤として酸素を使用する場合においては、例えば酸素濃度センサ等の酸素濃度検出手段を使用することができる。また、かかる酸化剤濃度検出手段は、例えば、エンジンの気筒内における燃料の燃焼を定量的に制御すること等を目的として、作動ガス循環型エンジンを始めとする内燃機関が一般的に備える構成要素であると言うことができる。更に、かかる酸化剤濃度検出手段においては、例えば、酸素濃度センサ等の酸化剤濃度検出手段からの検出信号の強度等に基づいて酸化剤の濃度を検出し、特に複雑な演算処理は必要とされない。尚、かかる酸化剤濃度検出手段の配設箇所は、既燃ガス中の酸化剤の濃度を検出又は推定することが可能である限り、特に限定されない。例えば、酸化剤濃度検出手段は、上流側循環通路上の何れかの箇所に配設することができる（例えば、図７を参照）。
【００８４】
また、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、上記のように、前記第１状態において、少なくともエンジンの始動時であって当該エンジンが自立運転を始めるまでの期間においては、前記吸気行程又は圧縮行程において供給される燃料に対する理論比よりも多い酸化剤を供給する。つまり、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンでは、上述の始動モードにおいて、当該エンジンを迅速に始動させるために別途供給される当サイクル燃焼用燃料の供給量と化学量論的に整合する量よりも多い量の酸化剤を気筒内に供給する。
【００８５】
上記において、酸化剤の供給量は、例えば、燃料の燃焼後の既燃ガスにおいて、燃料の燃焼によって消費されずに残る酸化剤が存在するように調整される。この際、酸化剤の供給量は、例えば、既燃ガスに含まれる酸化剤の濃度が一定になるように調整してもよく、あるいは既燃ガスに含まれる酸化剤の濃度が一定にならなくてもよい。何れにせよ、再供給される既燃ガスに燃料が含まれるようになると、再供給される既燃ガスに燃料が含まれるようになる前に当サイクル燃焼用燃料のみが燃焼していた状態と比較して、気筒内で燃焼する燃料の量が増え、これに対応して消費される酸化剤の量も増える。その結果、上述の酸化剤濃度検出手段によって検出される既燃ガス中の酸化剤濃度が、予想される値から低下する。これにより、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、上記のように、前記酸化剤濃度検出手段によって検出される酸化剤濃度の低下に基づいて、前記再供給される既燃ガスに前記燃料が含まれるようになったか否かを確実に判定し、当該判定結果に基づいて当サイクル燃焼用燃料の供給を減量することができる。
【００８６】
ここで、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける当サイクル用燃料の供給量と酸化剤濃度検出手段によって検出される酸化剤濃度との対応関係につき、添付図面を参照しながら、以下に詳しく説明する。図８は、前述のように、本発明の１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける始動モード時での当サイクル用燃料の供給量及び酸化剤濃度検出手段によって検出される酸化剤濃度の時間的な推移を表す模式的なグラフである。
【００８７】
図８に示す実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、始動モードの開始当初においては、上述のように、一定濃度の酸化剤が既燃ガス中に残るように酸化剤の供給量が調整されており、酸化剤濃度検出手段によって検出される既燃ガス中の酸化剤濃度も上記一定濃度となっている。しかしながら、図８に示すように、時刻ｔ１において、循環通路を介して当該エンジンに再供給される作動ガスに循環用燃料が含まれるようになり、当該循環用燃料の燃焼に伴って酸化剤の消費量が増え、酸化剤濃度検出手段によって検出される既燃ガス中の酸化剤濃度が低下し始める。
【００８８】
やがて、時刻ｔ２において、酸化剤濃度の低下が検知され、これに対応して、当サイクル燃焼用燃料の供給量が減量され、必要以上の燃料の消費が抑制されると共に、これ以上の酸化剤濃度の低下も抑制される。このようにして、図８に示す実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、酸化剤濃度検出手段によって検出される酸化剤濃度の低下に基づいて、当該エンジンに再供給される既燃ガスに燃料が含まれるようになったか否かを確実に判定し、当該判定結果に基づいて、当サイクル燃焼用燃料の供給を減量することにより、始動モードにおいて必要以上の燃料が消費されることを防止することができる。尚、図８に示す実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、当サイクル燃焼用燃料の供給量が減量された時刻ｔ２から酸化剤濃度が上昇し、その後、既燃ガス中の酸化剤濃度は、時刻ｔ３において、上記一定濃度に戻っている。このように既燃ガス中の酸化剤濃度を一定になるように調整してもよいことは上述した通りである。この際、例えば、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間における酸化剤の供給量を一時的に増やして、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において過剰に供給された燃料に起因して低下した酸化剤濃度を上記一定濃度まで戻してもよい。
【００８９】
ところで、上述のように、本発明に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、当該エンジンの負荷が予め定められた第１閾値未満である第１状態にある場合においては、循環燃料利用モードが適用される。その後、例えば、アクセルペダルの踏み込み量が増やされて要求トルクが増大する等、当該エンジンの負荷が第１閾値以上に上昇すると、循環燃料利用モードは解除され、アクセルペダルの踏み込み量や制御手段からの指令に基づく要求トルクを達成するように、通常の燃焼モードが適用される。
【００９０】
しかしながら、上記のように本発明に係る作動ガス循環型エンジンの負荷が第１閾値以上に上昇した直後の状態においては、循環通路内を流れる作動ガスが循環燃料利用モードにおいて供給された循環用燃料を未だ含んでいる。従って、本発明に係る作動ガス循環型エンジンの運転状態が相対的に低負荷の第１状態（負荷＜第１閾値）から相対的に高負荷の第２状態（負荷≧第１閾値）へと移行した際には、燃料の燃焼モードを通常の燃焼モードに単に戻したのでは、循環通路内を流れる作動ガスに残存している循環用燃料の分だけ、酸化剤に対して燃料過多となり、酸化剤の不足による燃焼状態の悪化が懸念される。
【００９１】
そこで、本発明の第６の実施態様は、
本発明の前記第１乃至前記第５の実施態様の何れか１つに係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記再供給される既燃ガス中の前記燃料の濃度を検出又は推定する燃料濃度検出手段を更に備え、
前記第１状態から、当該エンジンの負荷が予め定められた第１閾値以上である第２状態へと遷移する際に、前記燃料濃度検出手段によって検出又は推定される前記再供給される既燃ガス中の前記燃料の濃度に応じて、前記酸化剤の供給量を調節する、
作動ガス循環型エンジンである。
【００９２】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンは、前記再供給される既燃ガス中の前記燃料の濃度を検出又は推定する燃料濃度検出手段を更に備える。燃料濃度検出手段は、前記再供給される既燃ガス中の前記燃料の濃度を検出又は推定することが可能である限り、如何なる構成を有するものであってもよい。燃料濃度検出手段は、例えば、エンジンの回転数、第１状態におけるエンジンの負荷等に基づいて、当該エンジンに再供給される既燃ガス中の燃料の濃度を推定することができる。
【００９３】
また、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、上記のように、当該エンジンの運転状態が、前記第１状態から、当該エンジンの負荷が予め定められた第１閾値以上である第２状態へと遷移する際に、前記燃料濃度検出手段によって検出又は推定される前記再供給される既燃ガス中の前記燃料の濃度に応じて、前記酸化剤の供給量を調節する。これにより、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、当該エンジンの運転状態が相対的に低負荷の第１状態から相対的に高負荷の第２状態へと移行した際にも、循環通路内を流れる作動ガスに残存している循環用燃料を考慮して、適切な量の酸化剤が供給されるので、上述のように燃料過多となって、酸化剤の不足による燃焼状態の悪化等の問題が生ずることを抑制することができる。
【００９４】
ここで、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける酸化剤の供給制御に含まれる各種処理の流れにつき、添付図面を参照しながら、以下に詳しく説明する。図９は、前述のように、本発明のもう１つの実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおける低負荷状態から高負荷状態へとエンジンの運転状況が移行した際に実行される酸化剤の供給制御に含まれる各種処理の流れを説明するフローチャートである。
【００９５】
図９に示すように、先ずステップＳ９１において、現時点におけるエンジンの要求トルクや回転数等、エンジンの負荷を見積もるための情報を取得する。次に、ステップＳ９２において、上記ステップＳ９１において取得された情報に基づいて見積もられるエンジンの負荷に対応する量の燃料を燃焼させるのに必要な酸化剤の量（τ）を算出する。次に、ステップＳ９３において、現時点におけるエンジンの負荷が第１閾値以上であるか否かが判定される。
【００９６】
上記ステップＳ９３において、現時点におけるエンジンの負荷が第１閾値以上ではない（即ち、第１閾値未満である）と判定された場合（ステップＳ９３：Ｎｏ）、次のステップＳ９８において、前述のような循環燃料利用モードが維持される。一方、上記ステップＳ９３において、現時点におけるエンジンの負荷が第１閾値以上であると判定された場合（ステップＳ９３：Ｙｅｓ）、次のステップＳ９４において、例えば、エンジンの回転数、第１状態（循環燃料利用モードにて運転）におけるエンジンの負荷等に基づいて、当該エンジンに再供給される既燃ガス中に含まれる燃料の量（ｆ）を推定する。
【００９７】
次に、ステップＳ９５において、上記ステップＳ９４において推定された既燃ガス中に含まれる燃料の量（ｆ）に基づいて、酸化剤の供給量の補正量（α）を算出する。尚、酸化剤の供給量の補正量（α）は、例えば、既燃ガス中に含まれる燃料の量（ｆ）から化学量論的に算出することができる。具体的には、酸化剤の供給量の補正量（α）と既燃ガス中に含まれる燃料の量（ｆ）との関係は、例えば、図１０に示すグラフによって表すことができる。
【００９８】
次に、ステップＳ９６において、上記ステップＳ９２において算出した酸化剤の必要量（τ）に、上記ステップＳ９５において算出した酸化剤の供給量の補正量（α）を加え、最終的な酸化剤の供給量を求める（τ＋α）。そして、次のステップＳ９７において、上記ステップＳ９６において求められた量（τ＋α）の酸化剤を当該エンジンに供給する。これにより、高負荷運転時においてエンジンに供給される燃料のみならず、循環通路を介してエンジンに供給される循環用燃料をも、良好な状態で燃焼させることができる。
【００９９】
ところで、上記酸化剤としては、前述のように、例えば、酸素、過酸化水素等の、種々の酸化剤を用いることができるが、例えば、入手の容易さや管理の容易さの観点からは、酸化剤として酸素を用いることが望ましい。
【０１００】
従って、本発明の第７の実施態様は、
本発明の前記第１乃至前記第６の実施態様の何れか１つに係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記酸化剤が酸素である、
作動ガス循環型エンジンである。
【０１０１】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、酸化剤として酸素を用いる。酸素は、上述のように、入手及び管理が容易であるので、作動ガス循環型エンジンにおける酸化剤として望ましい。尚、酸化剤として酸素を用いる本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、例えば、酸化剤貯蔵部としての酸素ボンベに酸素を貯蔵することができる。そして、同酸化剤貯蔵部から、例えば、同エンジンの燃焼室内に酸素を直接噴射しても、又は同エンジンの燃焼室内に供給される前に、酸素を作動ガスと予め混合してもよい。
【０１０２】
ところで、前述のように、上記作動ガスとしては、例えば、空気や窒素等の、種々のガスを用いることができるが、エンジンの熱効率を高め、且つ、例えば、窒素酸化物のような、環境保護の観点から排出を抑制することが求められている汚染物質を削減するためには、例えば、大きい比熱比を有する単原子の不活性ガスを用いることが望ましい。かかる比熱比が大きいガスを作動ガスとして用いる場合、比較的小さい比熱比を有するガス（例えば、空気、窒素等）を作動ガスとして用いる場合と比較して、より高い熱効率でエンジンを運転することができる。かかる大きい比熱比を有する単原子の不活性ガスとしては、希ガス類に属するヘリウム、ネオン、アルゴン等を挙げることができるが、内燃機関の作動ガスとしては、これらの中ではアルゴンが広く用いられている。
【０１０３】
従って、本発明の第８の実施態様は、
本発明の前記第１乃至前記第７の実施態様の何れか１項に係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記作動ガスがアルゴンである、
作動ガス循環型エンジンである。
【０１０４】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、作動ガスとしてアルゴンを用いる。アルゴンは、上述のように、内燃機関の作動ガスとしては、これらの中ではアルゴンが広く用いられており、入手及び管理が容易であるので、作動ガス循環型エンジンにおける作動ガスとして望ましい。また、高い比熱比を有し且つ不活性なアルゴンを作動ガスとして使用する本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、本発明の利点を十分に発揮して、同エンジンを高い熱効率にて運転することができ、且つ、例えば、窒素酸化物のような、環境汚染物質の排出を抑制することができる。
【０１０５】
尚、作動ガスとしてアルゴンを用いる本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、作動ガスとしてのアルゴンは、燃焼室から排出される既燃ガスを燃焼室に再供給するための循環通路内に密封されるので、基本的には、作動ガスを貯蔵・供給するための作動ガス貯蔵部を設ける必要は無い。しかしながら、例えば、同エンジンの運転に伴って、作動ガスとしてのアルゴンが循環通路から漏れ出した場合に、漏れ出したアルゴンを循環通路に補填することを目的として、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンが、作動ガス貯蔵部（例えば、ボンベ等）を更に備えていてもよい。
【０１０６】
ところで、上記燃料としては、前述のように、例えば、ガソリン、軽油、天然ガス、プロパン、水素等の、種々の燃料を用いることができる。しかしながら、ガソリンを始めとする炭化水素系燃料を用いる場合は、二酸化炭素（ＣＯ２）、及び微量の窒素酸化物や硫黄酸化物等が燃焼生成物として発生する。一方、燃料として水素を使用する場合は、燃料に由来する燃焼生成物としては、地球環境への影響が少ない水蒸気（Ｈ２Ｏ）のみを生ずる。従って、かかる観点からも、燃料として水素を使用することが望ましい。
【０１０７】
従って、本発明の第９の実施態様は、
本発明の前記第１乃至前記第８の実施態様の何れか１つに係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃料が水素である、
作動ガス循環型エンジンである。
【０１０８】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンは、燃焼生成物として水（Ｈ２Ｏ）のみを生ずる水素を燃料として使用する。従って、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、炭化水素系燃料を使用する作動ガス循環型エンジンと比較して、地球環境に対する影響が極めて小さい。
【０１０９】
ところで、上述のように、気筒内から排気ポートを通して循環通路に排出される既燃ガスは、燃料の燃焼によって生ずる燃焼生成物及び作動ガス等を含む。かかる既燃ガスをそのまま気筒内に循環（再供給）すると、前述のように、作動ガス全体としての比熱比が低下し、上死点（ＴＤＣ）付近における気筒内の温度や圧力が低下し、結果としてエンジンの熱効率の低下を招く虞がある。従って、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいても、既燃ガスに含まれる燃焼生成物（例えば、水、二酸化炭素等）を既燃ガスから分離・除去する燃焼生成物除去手段を備えることが望ましい。
【０１１０】
従って、本発明の第１０の実施態様は、
本発明の前記第１乃至前記第９の実施態様の何れか１つに係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃料の燃焼によって生ずる燃焼生成物を前記排出される既燃ガスから分離・除去する燃焼生成物除去手段を更に備える、
作動ガス循環型エンジンである。
【０１１１】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンは、前記燃料の燃焼によって生ずる燃焼生成物を前記排出される既燃ガスから分離・除去する燃焼生成物除去手段を更に備える。これにより、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンによれば、燃焼生成物が既燃ガス中に蓄積して作動ガス全体としての比熱比が低下し、上死点（ＴＤＣ）付近における気筒内の温度や圧力が低下し、結果としてエンジンの熱効率の低下を招く問題を低減することができる。
【０１１２】
尚、上記燃焼生成物除去手段の具体的な構成は、既燃ガスから分離・除去しようとする燃焼生成物の種類によって異なる。また、燃焼生成物の種類は、前述のように、作動ガス循環型エンジンにおいて使用される燃料と酸化剤との組み合わせによって異なる。前述のように、例えば、作動ガス循環型エンジンにおいて使用される燃料と酸化剤との組み合わせとして、天然ガス、ガソリン等の炭化水素系燃料と酸素との組み合わせを使用する場合は、水、二酸化炭素、及び微量の窒素酸化物や硫黄酸化物が燃焼生成物として生成する。一方、作動ガス循環型エンジンにおいて使用される燃料と酸化剤との組み合わせとして、水素と酸素との組み合わせを使用する場合は、燃焼生成物として水のみが生成する。
【０１１３】
一方、燃焼生成物除去手段としては、前述のように、例えば、既燃ガスを冷却することにより、温度の低下に伴って凝縮する性質を有する燃焼生成物（例えば、水）を凝縮させて当該燃焼生成物を既燃ガスから分離・除去する凝縮手段や、燃焼生成物（例えば、二酸化炭素）を多孔質構造によって吸着する吸着剤（例えば、ゼオライト等）等を用いる手段、及び燃焼生成物（例えば、二酸化炭素）を溶解して吸収する溶液（例えば、モノエタノールアミン溶液）等を用いる手段等が知られている。かかる燃焼生成物除去手段の中から、既燃ガスから分離・除去しようとする燃焼生成物の種類に応じて、好適な燃焼生成物除去手段を選択して、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンに適用することができる。
【０１１４】
従って、本発明の第１１の実施態様は、
本発明の前記１０の実施態様に係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃焼生成物除去手段が、前記既燃ガスを冷却することにより、温度の低下に伴って凝縮する性質を有する燃焼生成物を凝縮させて当該燃焼生成物を前記既燃ガスから分離・除去する凝縮手段である、
作動ガス循環型エンジンである。
【０１１５】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、前記燃焼生成物除去手段が、前記既燃ガスを冷却することにより、温度の低下に伴って凝縮する性質を有する燃焼生成物を凝縮させて当該燃焼生成物を前記既燃ガスから分離・除去する凝縮手段である。例えば、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、排気ポートから排出される既燃ガス中に含まれる、燃料の燃焼によって生ずる生成物である燃焼生成物の蒸気が、気筒内から排出される既燃ガスを気筒内に再供給するための循環通路に介装された凝縮手段によって分離・除去される。より具体的には、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、例えば、凝縮手段が備える熱交換器が、循環通路から凝縮手段の入口部を通して流入する既燃ガスを冷却して、同既燃ガスに含まれる燃焼生成物の蒸気を凝縮させて凝縮液とし、凝縮手段が備える気液分離器が、同既燃ガスと燃焼生成物の凝縮液とを分離することができる。斯くして燃焼生成物の蒸気が除去された既燃ガスは、凝縮手段の出口部から循環通路へと排出され、気筒内へと再供給（循環）される。
【０１１６】
上記凝縮手段が備える熱交換器は、既燃ガスを冷却して、既燃ガスに含まれる燃焼生成物の蒸気を凝縮させて凝縮液とすることが可能である限り、如何なる構成のものであってもよい。例えば、熱交換器は、循環通路から流入する既燃ガス（循環ガス）を熱媒体と熱交換させることにより同既燃ガスを冷却して、同既燃ガスに含まれる燃焼生成物の蒸気を凝縮させて凝縮液とする熱交換器であってもよい。この場合、熱媒体は、例えば、空気等の気体であってもよく、又は水や油等の液体であってもよい。また、熱交換器は、既燃ガスとの熱交換により既燃ガスから熱を受け取って高温となった熱媒体を冷却する冷却手段を備えていてもよい。かかる冷却手段としては、例えば、ラジエタ等の放熱器を挙げることができる。この場合、熱媒体は、熱交換器と冷却手段との間で循環されて、既燃ガスからの熱の受け取りと、冷却手段への熱の受け渡しを繰り返すことができる。
【０１１７】
一方、上記凝縮手段が備える気液分離器は、上記熱交換器によって凝縮された燃焼生成物の凝縮液を既燃ガスから分離することが可能である限り、如何なる構成のものであってもよい。例えば、気液分離器は、凝縮手段のケーシング内において既燃ガスの旋回流を発生させて、遠心力によって燃焼生成物の凝縮液を既燃ガスから分離する気液分離器であってもよい。あるいは、気液分離器は、上記熱交換器によって凝縮された燃焼生成物の凝縮液が溜まるように構成された凝縮手段のケーシングの底部であってもよい。
【０１１８】
あるいは、本発明の第１２の実施態様は、
本発明の前記第１０の実施態様に係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃焼生成物除去手段が、燃焼生成物を吸着する吸着剤を用いる手段である、
作動ガス循環型エンジンである。
【０１１９】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、前記燃焼生成物除去手段が、前記燃焼生成物除去手段が、燃焼生成物を吸着する吸着剤を用いる手段である。上記吸着剤は、燃焼生成物を吸着することが可能である限り、特に限定されない。例えば、上記吸着剤は多孔質材料であってもよい。より具体的には、上記吸着剤は、例えばゼオライト等の無機多孔質材料であってもよい。
【０１２０】
あるいは、本発明の第１３の実施態様は、
本発明の前記第１０の実施態様に係る作動ガス循環型エンジンであって、
前記燃焼生成物除去手段が、燃焼生成物を溶解して吸収する溶液を用いる手段である、
作動ガス循環型エンジンである。
【０１２１】
上記のように、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいては、前記燃焼生成物除去手段が、燃焼生成物を溶解して吸収する溶液を用いる手段である。上記溶液は、燃焼生成物を溶解して吸収することが可能である限り、特に限定されない。例えば、上記溶液は、燃焼生成物としての二酸化炭素を吸収する溶液であってもよい。より具体的には、上記溶液は、例えばモノエタノールアミン溶液等であってもよい。
【０１２２】
以上のように、本発明によれば、複数の気筒を備えるエンジンにおいて、例えば軽負荷時又はアイドリング時等、必要とされる燃料の供給量が少ない状態において、エンジンの騒音及び振動の増大並びに構成の複雑化を招くこと無く、燃料の消費を低減して、燃費の悪化を防止することができる。
【０１２３】
尚、上述した種々の実施態様を含む本発明に係る作動ガス循環型エンジンにおける判定や制御等の各種処理は、例えば、当該エンジンに関する各種制御を行うためのＥＣＵ及び当該ＥＣＵに対して検出信号を伝達するように構成された各種センサによって構成される制御手段によって実行することができる。また、上述のような各種処理に対応するアルゴリズムは、例えば、ＥＣＵが備える記憶装置（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ等）に格納されたプログラムに従って、ＥＣＵが備えるＣＰＵによって実行させることができる。但し、本実施態様に係る作動ガス循環型エンジンにおいて実行される各種処理を実装する方法及び手段は上記に限定されるものではなく、本発明の目的を達成することができる限りにおいて、如何なる構成のものであってもよい。
【０１２４】
以上、本発明を説明することを目的として、特定の構成及び実行手順の組み合わせを有する幾つかの実施例について説明してきたが、本発明の範囲は、これらの例示的な実施態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲及び明細書に記載された事項の範囲内で、適宜修正を加えることができる。
【符号の説明】
【０１２５】
１０…エンジンの本体部、１１…燃料供給手段（インジェクタ）、１２…酸化剤濃度検出手段、２０…燃料供給部、３０…酸化剤供給部、４０…循環通路、４１…上流側循環通路、４２…下流側循環通路、５０…凝縮手段、６０…放熱手段（ラジエタ）、及び６１…熱媒体。
【図１】
2013221476.tif 000003
【図２】
2013221476.tif 000004
【図３】
2013221476.tif 000005
【図４】
2013221476.tif 000006
【図５】
2013221476.tif 000007
【図６】
2013221476.tif 000008
【図７】
2013221476.tif 000009
【図８】
2013221476.tif 000010
【図９】
2013221476.tif 000011
【図１０】
2013221476.tif 000012